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Die Neue Ära Experimenteller B Physik Andreas Höcker Laboratoire de l‘Acélérateur Linéaire (LAL) Orsay, France Ist es Beauty oder Bottom ? Früjahrstagung.

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2 Die Neue Ära Experimenteller B Physik Andreas Höcker Laboratoire de l‘Acélérateur Linéaire (LAL) Orsay, France Ist es Beauty oder Bottom ? Früjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft März, 2002

3 Die vier Kernbereiche der B Physik Verbesserung unseres Verständnisses von B Zerfällen Nachweis seltener Zerfällen: Suche nach neuer Physik und Direkter CP Verletzung Präzise Bestimmung der CKM Matrixelemente (|V ub | und |V cb |) CP Verletzung im Neutralen B System: CPV durch Interferenz zwischen Zerfall und Mischung CPV durch Interferenz der Zerfallsamplituden   

4 Der Schlüssel zur B Physik: Die CKM Matrix Masseneigenzustände  Geschmackseigenzustände Quarkmischung B Mesonen zerfallen schwach modifizierte Kopplungen für geladene schwache Ströme: Wolfenstein Parametrisierung (Entwicklung in ~ 0.2): CPV Phase V CKM unitär und komplex : 4 reelle Parameter (3 Winkel und eine Phase) (phaseninvariant!) Jarlskog 1985 Kobayashi- Maskawa 1973 CP Verletzung, wenn:

5 Was ist der Wert von in userer Welt ? Viele Wege führen zum „Unitaritätdreieck” J /2 J Punkt der Erkenntnis : SM oder neue Phasen (Felder)?   RtRt  Das Unitaritätsdreieck RbRb

6 Themenübersicht Observable CKM Parameters Experimentelle Bestimmung Theoretisches Werkzeug (B0/B+)(B0/B+) - Rekonstruktion des B Zerfallsvertexes Heavy Quark Expansion, Gitter  m d, a SL (l + l – )(1–  ) 2 +  2 B d B d  f + f – + X pQCD & Gitter msms fBd2BdfBd2Bd B s  f + + X Gitter sin2 ,  B d  cc sd - sin2 ,  Bd  +/+ –Bd  +/+ – QCD Faktor. ,  B d  DK, b  u, Direkte CPV - / QCD Faktor. |V cb |A b  cl (exkl. / inkl.) Heavy Quark Effective Theory, Modelle / OPE |V ub |  2 +  2 b  ul (exkl. / inkl.) Hadronische Modelle / OPE |V td | (1–  ) 2 +  2 Bd   Bd    QCD Faktor. |V ts |A (NP) B d  X s (K (  ) ) , K (  ) l + l – (FCNC) OPE / Hadr. Modelle, Gitter

7 Die Suche nach CP Verletzung im B System ATLASATLAS BTEV CLEO 3 B A B AR BELLE 2005 ? Primäres Ziel Durchführung von Präzisionsmessungen im Bereich der schwachen geladenen Ströme, um den CKM Sektor des Standard Modells zu testen

8 Nach den B-Physik Pionieren Argus, CLEO und den LEP Experimenten... Die asymmetrischen B Fabriken PEP-II und KEKB Belle’s Rekordlumonisität: 6.6  10  33 cm  2 s  1 Integrierte Lumonisität: BABAR:71 fb  1 Belle:58 fb  1 BABAR / Belle 9 / 8.5 GeV e  auf 3.1 / 3.5 GeV e + : Kohärente neutrale B Paarproduktion und Zerfall (p-Welle)

9 Linac Fixed Target Experiments BABAR SLD (& MARK II)

10 SVT97% Effizienz,  m Auflösung in  z Tracking  (p T )/p T = (0.13 P T  0.45) % DIRC K-  Trennung >3.4  für P<3.5GeV/c EMC  E /E = (1.3 E –1/4  2.1) %

11 Teilchenidentifikation für B A B AR : Der DIRC Čerenkov Detektor Detection of Internally Reflected Čerenkov light Exzellente  /K/p Trennung bis 4 GeV/c Das DIRC Prinzip Der DIRC in B A B AR Die DIRC Performance

12 SVT92% Effizienz,  m Auflösung in  z Tracking  (p T )/p T = (0.19 P T  0.45  –1 ) % PID K-  Trennung bis 3.5 GeV (TOF& dE/dx & Aerogel Zähler) EMC  E /E = (0.8 E –1/4  0.07 E –1  1.3) %

13 Experimentelle Ergebnisse

14 B Lebensdauer Im Rahmen der Heavy Quark Entwicklung (HQE) erwartet man eine explizite Abhängigkeit der B Lebensdauer vom Geschmack des “Spectator Quarks“: B 0(+) = bd(u): Zerfallskonstante Die B 0(+) Lebensdauer folgt dem Exponentialgesetz: Für die Messung in einem asymmetrischen Beschleuniger, rekonstruiert man die Zerfallsvertices des vollständig oder teilweise rekonstruierten B‘s, und des anderen (=tag) B‘s.

15 B-Geschmacksbestimmung Exklusive B Mesonen Rekonstruction (Geschmackseigenzustände) Lebensdauer, Mixing (CP Eigenzustände) CP Analyse  (4S)  t   z/  c  z   250  m Das Messprinzip (für: Lebensdauer, B d Mischung, CPV)

16 Cabibbo-erhöhte hadronische Zerfälle (“Offene charm Produktion”): z.B., Charmonium Zerfälle: z.B., Semileptonische Zerfälle: z.B., Neutrale B Mesonen Geladene B Mesonen “Geschmackseigenzustände” für die Messung von Lebensdauer und Mixing: B A B AR mB+mB+ m B0 Vollständig rekonstruierte B Zerfälle

17 Die Parameter der Auflösungsfunktion werden gemeinsam mit der Lebensdauer gefitted Perfekte Zeitauflösung  B Decay Time Difference (ps)  B Decay Time Difference (ps) Faltung BABAR PRL (2001); hep- ex/ ; and preliminary Belle hep-ex/ ; and preliminary PDG2001 (LEP, SLD, CDF) “Proof of principle” zeitabhängiger Analysen (z.B. CPV) Endliche Zeitauflösung Kanal  (B + )/  (B 0 ) BABARBelle Exklusiv hadronisch   Inklusiv dileptonisch  D*l nur  (B 0 )1.072  Ausgewählte Ergebnisse:

18 B 0 B 0 Mischung: Prinzip Die Zeitentwicklung des B 0 -B 0 System folgt der Schrödinger Gleichung: mit den Massen- eigenzuständen: Wir definieren: Und man erhält für die Zeitentwicklung der Asymmetrie: Wobei:und:

19 B 0 B 0 Mischung: Theorie Effektive FCNC Prozesse: deren Oszillationsfrequenzen  m d/s theoretisch berechnet werden können: Perturbative QCD Gitter QCD CKM Matrix Elements Die theoretischen Unsicherheiten sind bedeutend: d/s B0B0 B0B0 – b – – WW t t – b [  B=2] – Verbesserte Fehler durch  m s Messung:

20 Tagging Effizienz: 68% Tagging Qualität: Kaonen 15%, Leptonen 7%, Andere 4% B d B d Mischung: Experiment bsc e–,–e–,– K–K– Lepton, Kaon Tagging Tagging des B Geschmacks Lepton Ladung des “schnellen” Leptons Kaon Ladung identifizierter Kaonen Andere Neuronales Netz (o.ä.) zur Ausbeutung von Informationen spezifischer Ereignistopologien Bestimmung der Mistagwahrscheinlichkeiten mit B flav Ereignissen Dilution (= Informationsverlust) Realistische Zeitentwicklung: Vertex- auflösung

21 B A B AR Auswirkung realistischen Taggings & Zeitauflösung B A B AR Vollständig rekon- struierte Ereignisse

22 B d B d Mischung: Ergebnisse Quelle: LEP B Oscillations Working group LEP Mittelwert:  ps –1 Theoretische Unsicherheit SM fit Exp. Fehler > 5% CL

23 B s B s Mischung: Ergebnisse Noch keine signifikante Messung. Gespanntes Warten auf CDF, D0… LEP/SLD/CDF Amplitudenspektrum aus dem fit an die Eigenzeitverteilung: SM fit Verbesserung durch  m s Limit > 5% CL

24 Bestimmung der Matrixelemente |V cb | und |V ub | Für beide Matrixelemente gibt es sowohl exklusive als auch inklusive Ansätze, beide sind jedoch semileptonisch. Das theoretische Rüstzeug hierfür ist Heavy Quark Effective Theory (HQET) und die Operator Produkt Entwicklung (OPE) 1/m Q 1/  QCD Symmetrie schwerer Quarks [=SU(2n Q )]: Im m Q  Limit eines Qq Systems verhält sich Q wie eine statische Farbquelle mit festem 4-Impuls. Die leichten Freiheitsgrade werden insensitiv zu Spin und Geschmack des Quarks |V ub | (   2 +  2 ) ist entscheidend für die SM Vorhersage von sin(2  ) |V cb | (  A) ist von grosser Bedeutung in der Kaon Physik (  K, BR(K  ), …) Compton Wellenlängen

25 Messung der Rate als Fkt. des Impulsesübertrags  Bestimmung von |V cb | aus Extrapolation zu   1 (Theorie am restriktivsten) Exklusive semileptonische B  D  l Zerfälle  =1  =1.5 BelleBelle Im B Ruhesystem ist  =  (D  ) Bigi, Uraltsev; Neubert;...; Gitter QCD Belle, PLB 526, 247 (2002)

26 Identifiziere durch „Markierung“ eines B‘s: Vollständige Rekonstruktion oder hochenergetisches Lepton Selektiere Leptonen des semileptonischen Zerfalls des anderen B‘s OPE: Entwicklung der Zerfallsrate in und Modellunabhängige Ergebnisse für „genügend inklusive“ Observablen: Inklusive semileptonische B  X c l Zerfälle Schnelles e + : „right-sign“ Experimentelle Strategie Kaskaden e – : „wrong-sign“ Bigi, Shifman, Uraltsev; Hoang, Ligeti, Manohar

27 BABAR: (10.82  0.21  0.38) % Belle: (10.86  0.14  0.47) % CLEO: (10.49  0.17  0.43) % LEP: (10.65  0.23 ) % ARGUS : ( 9.7  0.5  0.4 )% BR(B  X l(e) ): B A B AR z.B.: |V cb |(BABAR)  (40.8  1.7  1.5)  10 –3 Ein vielversprechender Ansatz für theoretisch verbesserte Analysen ist der kombinierte fit der HQET Parameter  und 1 (CLEO) mit Hilfe von b  s . Erlaubt Test der Quark-Hadron Dualität. (Siehe auch hadronische  Zerfälle). CLEO, Phys. Rev. Lett. 87, (2001) –0.4 –0.3 –0.2 0 – –0.1 |V cb |(CLEO)  (40.4  1.3)  10 –3 BABAR preliminär: 1

28 |V ub | aus exklusiven Zerfällen (I) Problem: Modellabhängigkeit des Formfaktors Reiner Tree (Born) Zerfall. Die Zerfallsrate ist direkt proportional zum CKM Element |V ub | 2

29 |V ub | aus exklusiven Zerfällen (II)CLEOCLEO B A B AR b  cl und andere cross feed Andere b  ul CLEO, Phys.Rev.D61:052001,2000 BABAR preliminär (Moriond’02) stat sys mod

30 | V ub | aus inklusiven Zerfällen Unterdrückung des dominanten charm Untegrundes durch Schnitt auf den B  X u l Lepton Impuls jenseits des kinematischen Endpunktes von B  X c l Reduktion der Modell-Abhängigkeit durch Verwendung von HQE und “Shape-Function” gemessen in B  X s  CLEOCLEO Mögliche Verletzung von Quark-Hadron-Dualität ? statfufuHQE1/m b CLEO, hep-ex/ B  Xs B  Xs  SM fit > 5% CL Messung des ganzen Spektrums ( Theorie unter Kontrolle) B  X u l (Neur. Netz für Signal) exp bubu HQE bb bcbc LEP B Working group Problem: Starke Modell-Abhängigkeit für |V ub | Kenntnis des b  c Untergrunds, Messung inklusiv ?

31 Seltene „charmlose“ B Zerfälle Semileptonische (FCNC) und radiative Zerfälle (G F ) 2  verstärkt gegenüber loop-induzierten nicht radiativen Zerfällen  (G F  ) 2 Empfindliche Sonden für neue Physik (SUSY, rechtshändige Kopplungen,...) Bestimmung von |V td | und |V ts | Bestimmung von HQET Parametern Suche nach direkter CP Asymmetrie Hadronische b  u(d) Zerfälle Messung direkter CP Verletzung Bestimmung der UT Winkel  und  Test der B Zerfallsdynamik (Faktorisierung) Tree Penguin Box Wir unterscheiden zwei Kategorien:

32 Wie können wir relativ |V ub /V cb | 2  0.01 unterdrückte b  u Zerfälle im De- tektor rekonstruieren ? e + e –   (4s)  BB B Zerfall (fast) in Ruhe B  2bB  2b B  XCB  XC Kinematische Rekonstruktion: Selektion mit Event shape Variablen background signal CMS track momentum B Untergrund ist sehr klein: B  2b Dominierender e + e –  qq Untergrund ist jetartig B A B AR B  +–B  +– Typische Auflösung:  (m ES )  2.5 MeV/c 2  (  E)  MeV

33 Semileptonische und Radiative B Zerfälle KanalExperimentTheory (SM) (3.23 ± 0.41)  10 –4 (ALEPH’99, CLEO’01 Belle’01) (3.7 ± 0.3)  10 –4 (Hurth et al., Misiak) [–0.27,+0.10] at 90% CL (CLEO’01) < 1% (b  s) ~ 10% (b  d) (4.44 ± 0.35)  10 –5 (BABAR’01, Belle’01, CLEO’01) (7 ± 4)  10 –5 (Bosch, Buchalla) 0.08 ± 0.13 |A cp | < 0.01 (Bosch, Buchalla) (3.82 ± 0.47)  10 –5 (BABAR’01, Belle’01, CLEO’00) (7 ± 4)  10 –5 (Bosch, Buchalla) –0.04 ± 0.08 |A cp | < 0.01 (Bosch, Buchalla) < 0.5  10 –6 at 90% CL (BABAR’01) (7.5 ± 2.5)  10 –6 (Belle’01) (0.5  2.3)  10 –6 (Ali, Parkhomenko) < 2.9  10 –6 at 90% CL (BABAR’01) (0.5  2.3)  10 –6 Bedeutende theoretische Unsicherheiten durch nicht-pQCD und Form Faktoren ! Leider kostet das Ersetzen von s durch d einen Faktor 20 in der Rate (im Standard Modell)

34 Semileptonische und Radiative B Zerfälle Das Verhältnis der B   Rate zu B  K*  kann theoretisch sauberer vorhergesagt werden als die Einzelraten: Misst |V td |, wichtig für UT Winkel  Ali, Parkhomenko. Siehe auch: QCD FA Ansatz von Bosch & Buchalla Quelle (BR  10 –6 ) Ali, Parkhomenko0.5 ± ± 0.4 Bosch, Buchalla0.8 ± ± 0.5 BABAR< 1.5< 2.8 Belle< 1.0< 1.1 CLEO< 1.7< 1.3 Grobe Abschät- zung der theo- retischen Un- sicherheit

35 Seltene hadronische B Zerfälle und („direkte“) CP Verletzung im Zerfall Zeitintegrierte Observable : CPV im Zerfall entsteht, wenn verschiedene Beiträge zur Zerfallsamplitude interferieren: Starke Phasen- differenz Weak phase difference Für neutrale B’s konkurriert direkte CPV mit anderen CPV Formen

36 Fleischer, Mannel (98) Gronau, Rosner, London (94, 98) Neubert, Rosner (98) Buras, Fleischer (98) Beneke, Buchalla, Neubert, Sachrajda (01) Keum, Li, Sanda (01) Ciuchini et al. (01) Liste bei weitem nicht vollständig ! Weiche Streuung CP gemittelte BRs und Messungen direkter CPV bestimmen den Winkel  Die theoretische Analyse behandelt: SU(3) breaking Rescattering (FSI) EW penguins Das Tool ist: QCD Faktorisierung... B  K  und die Bestimmung von  Interferierende Beiträge von tree und Penguin Amplituden Potential für signifikante direkte CP Asymmetrien Vortrag von Martin Beneke... basierend auf Farbtransparenz: Grosse Energiefreigabe soft Gluonen wechselwirken nicht mit dem kleinen qq-bar Farbdipol des emittierten Mesons nicht-fakt. Beiträge sind in pQCD berechenbar Perfekt für m b  . Korrekturen der Ordnung: (  QCD /m b ) Vertex Korr., Penguins Harte Streuung (pQCD)

37 Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Die meisten seltenen Kanäle entdeckt. Updated Belle (La Thuile’02) Updated BABAR (Moriond EW’02) Verzweigungsverhältnisse für B   /K  5.4  0.7   1.1  0.5 < 2.5 (90%) 5.1  2.0   2.1   3.3   3.1   1.1   1.8  1.5 < 0.5 (90%) 7.0  2.2   2.4   3.0   3.2      2.2 B A B AR 55.6 fb –1 B A B AR 55.6 fb –1 CLEO 9.1 fb –1 CLEO Belle 29.1 fb –1 Belle Welt-MittelwertWelt-Mittelwert < 5.6 (90%)< 3.4 (90%)< 5.7 (90%)

38 B A B AR BABAR Moriond’02 CLEO PRL 85 (2000) 525 CLEO     CLEO B A B AR Belle Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Keine signifikante Abweichung von null. Direkte CP Asymmetrien in K  Kanälen A CP (K +  – ) = – 0.05  0.06  0.01 A CP (K +  0 ) =  0.18  0.04 A CP (K 0  + ) = – 0.21  0.18  0.03 BELLE La Thuile’02 Belle A CP (K +  – ) = – 0.06  0.08  0.08 A CP (K +  0 ) = – 0.04  0.19  0.03 A CP (K 0  + ) =  0.15  0.02 A CP (K +  – ) = – 0.04  0.16 A CP (K +  0 ) = – 0.29  0.23 A CP (K 0  + ) =  0.24 A CP (K +  – ) = – 0.05  0.05 A CP (K +  0 ) = – 0.09  0.12 A CP (K 0  + ) =  0.10 Weltmittelwerte Sind Annihilationsbeiträge wichtig?

39 Fleischer-Mannel und Neubert-Rosner Schranken FM bound: NR bound + theoretischem Annahmen: keine Information a)b) Penguin Tree

40 Verglichen mit Standard CKM fit Theoretische Unsicherheiten: m s, m c, B, R  K Renorm. scale  Gegenbauer moms: a 1 (K), a 2 (K), a 2 (  ) F(B  ), f B X H, X A Theoretische Unsicherheiten: m s, m c, B, R  K Renorm. scale  Gegenbauer moms: a 1 (K), a 2 (K), a 2 (  ) F(B  ), f B X H, X A BR(B   /K  ) & A CP & Theorie (BBNS) BBNS: Beneke, Buchalla, Neubert, Sachrajda, Nucl.Phys.B606: ,2001

41 BABAR (Moriond’02): S  = – 0.01  0.38 C  = – 0.02  0.30 & BBNS BABAR (Moriond’02): S  = – 0.01  0.38 C  = – 0.02  0.30 & BBNS Input: S  & C  & sin(2  ) Input: S  & C  sin(2  eff ) & Theorie (BBNS)

42 Interessante neue Messung von Belle (Moriond’02): Belle (Moriond’02): Vorzeichen von C  geändert (Konvention) ! Input: S  & C  Zoom

43 Reverso: sin(2  eff, 2  ) & SM fit Theorie GR: Gronau, Rosner, Phys.Rev.D65:013004,2002 BBNS: Beneke et al., Nucl.Phys.B606: ,2001 Die Theorie liefert Tree und Penguin Beiträge und deren relative Phasen. Der globale fit bestimmt, unter Verwendung aller gemessenen Verzweigungsver- hältnisse und CP Asymmetrien (auch zeitabhängig), die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Hierbei werden auch die freien Parameter der Theorie (CKM Elemente) bestimmt.

44 Wo stehen wir heute ? Was bringt die Zukunft ? Wo stehen wir heute ? Was bringt die Zukunft ?

45 Das Zentrum ken- nen wir mit relativ guter Sicherheit… aber es ist zu gross! Ein besseres Ver- ständnis von long- distance QCD öffnet uns die Türen zur vollen Ausbeute der grossen Datenmen- gen, die zur Zeit aus KEKB und PEPII quellen…...und der ungeheu- eren Datenmengen, die am Tevatron und später (wann?) beim LHC auf uns zukom- men werden ! Das Standard Model hält die Festung:

46 Im Jahre 2010 brauchen wir einen Zoom, um den Überlappbereich noch zu erkennen... Und in der ferneren Zukunft ? Wird es noch einen Überlappbereich geben ?. Vielleicht etablieren wir neue Physik bevor der LHC sie findet ??? ??


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